Haga una búsqueda en Google de imágenes de campo oscuro, y descubrirá un mundo maravillosamente detallado de organismos microscópicos en contraste con sus fondos negros de medianoche. La microscopía de campo oscuro puede revelar detalles intrincados de células translúcidas y organismos acuáticos,así como diamantes facetados y otras piedras preciosas que de otro modo parecerían muy débiles o incluso invisibles bajo un típico microscopio de campo brillante.
Los científicos generan imágenes de campo oscuro mediante el montaje de microscopios estándar con componentes a menudo costosos para iluminar la etapa de muestra con un cono de luz hueco y muy angulado. Cuando se coloca una muestra translúcida bajo un microscopio de campo oscuro, el cono de luz se dispersalas características de la muestra para crear una imagen de la muestra en la cámara del microscopio, en contraste con el fondo oscuro.
Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un pequeño chip con espejo que ayuda a producir imágenes de campo oscuro, sin componentes caros dedicados. El chip es ligeramente más grande que un sello de correos y tan delgado como una tarjeta de crédito. Cuando se coloca en el microscopioetapa, el chip emite un cono de luz hueco que puede usarse para generar imágenes detalladas de campo oscuro de algas, bacterias y objetos diminutos translúcidos de forma similar.
El nuevo chip óptico se puede agregar a los microscopios estándar como una alternativa asequible y reducida a los componentes convencionales de campo oscuro. El chip también se puede instalar en microscopios portátiles para producir imágenes de microorganismos en el campo.
"Imagina que eres un biólogo marino", dice Cecile Chazot, una estudiante graduada en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. "Normalmente tienes que traer un gran balde de agua al laboratorio para analizar. Si la muestra es mala, tiene que volver a recoger más muestras. Si tiene un microscopio portátil de campo oscuro, puede comprobar una gota en su cubo mientras está en el mar, para ver si puede irse a casa o sinecesitas un nuevo cubo "
Chazot es el autor principal de un artículo que detalla el nuevo diseño del equipo, publicado en la revista Fotónica de la naturaleza . Sus coautores son Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Peter So y Mathias Kolle del MIT, junto con Christopher Rowlands en el Imperial College de Londres y Maik Scherer de Papierfabrik Louisenthal GmbH en Alemania.
para siempre fluorescente
En un esfuerzo continuo, los miembros del laboratorio de Kolle están diseñando materiales y dispositivos que exhiben "colores estructurales" de larga duración que no dependen de tintes o pigmentación. En cambio, emplean estructuras de nano y microescala que reflejan y dispersan la luz de manera muy similar apequeños prismas o pompas de jabón. Por lo tanto, pueden parecer que cambian de color dependiendo de cómo se organizan o manipulan sus estructuras.
El color estructural se puede ver en las alas iridiscentes de escarabajos y mariposas, las plumas de las aves, así como las escamas de los peces y algunos pétalos de flores. Inspirado por ejemplos de color estructural en la naturaleza, Kolle ha estado investigando varias formas de manipular la luz deuna perspectiva microscópica, estructural.
Como parte de este esfuerzo, él y Chazot diseñaron un pequeño chip de tres capas que originalmente pretendían usar como láser en miniatura. La capa intermedia funciona como la fuente de luz del chip, hecha de un polímero infundido con puntos cuánticos:pequeñas nanopartículas que emiten luz cuando se excitan con luz fluorescente. Chazot compara esta capa con un brazalete de brillo, donde la reacción de dos químicos crea la luz; excepto que aquí no se necesita reacción química, solo un poco de luz azul hará que los puntos cuánticosbrille en colores naranja y rojo brillantes.
"En las barras luminosas, estos químicos finalmente dejan de emitir luz", dice Chazot. "Pero los puntos cuánticos son estables. Si hicieras una pulsera con puntos cuánticos, serían fluorescentes durante mucho tiempo".
Sobre esta capa generadora de luz, los investigadores colocaron un espejo Bragg, una estructura hecha de capas alternas a nanoescala de materiales transparentes, con índices de refracción claramente diferentes, lo que significa los grados en que las capas reflejan la luz entrante.
El espejo de Bragg, dice Kolle, actúa como una especie de "guardián de puerta" para los fotones que emiten los puntos cuánticos. La disposición y el grosor de las capas del espejo es tal que permite que los fotones escapen y salgan del chip,pero solo si la luz llega al espejo en ángulos altos. La luz que llega a ángulos más bajos se devuelve al chip.
Los investigadores agregaron una tercera característica debajo de la capa generadora de luz para reciclar los fotones inicialmente rechazados por el espejo Bragg. Esta tercera capa está moldeada de epoxi sólido y transparente recubierto con una película de oro reflectante y se asemeja a una caja de huevos en miniatura, perforadacon pozos pequeños, cada uno mide aproximadamente 4 micras de diámetro.
Chazot alineó esta superficie con una fina capa de oro altamente reflectante, una disposición óptica que actúa para atrapar cualquier luz que se refleje hacia abajo desde el espejo Bragg, y el ping-pong vuelve a iluminar esa luz, probablemente en un nuevo ángulo que elel espejo dejaría pasar. El diseño de esta tercera capa se inspiró en la estructura de escala microscópica en las alas de la mariposa Papilio.
"Las escamas de las alas de la mariposa presentan estructuras en forma de caja de huevos realmente intrigantes con un forro de espejo Bragg, que les da su color iridiscente", dice Chazot.
Un cambio óptico
Los investigadores originalmente diseñaron el chip como una matriz de fuentes láser en miniatura, pensando que sus tres capas podrían funcionar juntas para crear patrones de emisión láser a medida.
"El proyecto inicial era construir un conjunto de cavidades láser de microescala acopladas individualmente", dice Kolle, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Pero cuando Cecile hizo las primeras superficies nos dimos cuenta de que tenían un perfil de emisión muy interesante,incluso sin el láser "
Cuando Chazot miró el chip bajo un microscopio, notó algo curioso: el chip emitía fotones solo en ángulos altos formando un cono de luz hueco. Resulta que el espejo Bragg tenía el grosor de capa justo para dejar pasar los fotones solamentecuando llegaron al espejo con cierto ángulo alto.
"Una vez que vimos este cono de luz hueco, nos preguntamos: '¿Podría este dispositivo ser útil para algo?'", Dice Chazot. "Y la respuesta fue: ¡Sí!"
Resulta que habían incorporado las capacidades de múltiples componentes caros y voluminosos de microscopio de campo oscuro en un solo chip pequeño.
Chazot y sus colegas utilizaron conceptos ópticos teóricos bien establecidos para modelar las propiedades ópticas del chip para optimizar su rendimiento para esta tarea recién descubierta. Fabricaron múltiples chips, cada uno de los cuales produjo un cono de luz hueco con un perfil angular adaptado.
"Independientemente del microscopio que esté utilizando, entre todos estos pequeños chips, uno funcionará con su objetivo", dice Chazot.
Para probar los chips, el equipo recolectó muestras de agua de mar y cepas no patógenas de la bacteria E. coli, y colocó cada muestra en un chip que colocaron en la plataforma de un microscopio estándar de campo brillante. Con esta configuración simple, pudieron producir imágenes claras y detalladas de campo oscuro de células bacterianas individuales, así como microorganismos en el agua de mar, que eran casi invisibles bajo la iluminación de campo brillante.
Kolle dice que en el futuro cercano estos chips de iluminación de campo oscuro podrían ser producidos en masa y adaptados incluso para microscopios simples, de grado escolar, para permitir la obtención de imágenes de muestras biológicas translúcidas de bajo contraste. En combinación con otros trabajos enEn el laboratorio de Kolle, los chips también se pueden incorporar en dispositivos de imágenes de campo oscuro en miniatura para diagnósticos en el punto de atención y aplicaciones bioanalíticas.
"Si podemos externalizar parte del manejo de la luz a una superficie que se puede colocar como el sustrato de la muestra en un microscopio, la imagen de campo oscuro es una opción intrigantemente accesible en muchos escenarios de imágenes", dice Kolle.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Y los Institutos Nacionales de Salud.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :